Efecte triboelèctric i nanogeneradors TENG
L'efecte triboelèctric és el fenomen de l'aparició de càrregues elèctriques en alguns materials quan es freguen entre si. Aquest efecte és inherentment una manifestació electrificació de contacte, que és conegut per la humanitat des de l'antiguitat.
Fins i tot Thales de Miletsky va observar aquest fenomen en experiments amb un pal d'ambre fregat amb llana. Per cert, la mateixa paraula "electricitat" prové d'allà, perquè traduïda del grec, la paraula "electró" significa ambre.
Els materials que poden presentar un efecte triboelèctric es poden disposar en l'anomenat ordre triboelèctric: vidre, plexiglàs, niló, llana, seda, cel·lulosa, cotó, ambre, poliuretà, poliestirè, tefló, goma d'esborrar, polietilè, etc.
Al principi de la línia hi ha materials condicionalment "positius", al final, condicionalment "negatius". Si agafeu dos materials d'aquest ordre i els fregueu l'un contra l'altre, el material més proper al costat "positiu" es carregarà positivament i l'altre carregarà negativament. Per primera vegada, el físic suec Johann Carl Wilke va compilar una sèrie triboelèctrica el 1757.
Des del punt de vista físic, el dels dos materials que es freguen entre si estarà carregat positivament, que es diferencia de l'altre per la seva constant dielèctrica més gran. Aquest model empíric s'anomena regla de Cohen i s'associa principalment amb als dielèctrics.
Quan un parell de dielèctrics químicament idèntics es freguen entre si, el més dens adquirirà una càrrega positiva. En els dielèctrics líquids, una substància amb una constant dielèctrica més alta o una tensió superficial més alta estarà carregada positivament. Els metalls, en canvi, quan es freguen contra la superfície d'un dielèctric, es poden electrificar tant positivament com negativament.
El grau d'electrificació dels cossos que es freguen entre si és més significatiu, com més gran és l'àrea de les seves superfícies. La fricció de la pols a la superfície del cos de la qual es va separar (vidre, marbre, pols de neu, etc.) està carregada negativament. Quan la pols es tamisa a través d'un garbell, les partícules de pols també es carreguen.
L'efecte triboelèctric en sòlids es pot explicar de la següent manera. Els portadors de càrrega es mouen d'un cos a un altre. En els semiconductors i els metalls, l'efecte triboelèctric es deu al moviment dels electrons d'un material amb una funció de treball inferior a un material amb una funció de treball superior.
Quan un dielèctric frega contra un metall, es produeix una electrificació triboelèctrica a causa de la transició dels electrons del metall al dielèctric. Quan un parell de dielèctrics es freguen, el fenomen es produeix a causa de la penetració mútua dels ions i electrons corresponents.
Una contribució significativa a la gravetat de l'efecte triboelèctric pot ser els diferents graus d'escalfament dels cossos en el procés de la seva fricció entre si, ja que aquest fet provoca el desplaçament dels portadors de les inhomogeneïtats locals d'una substància més escalfada: "vertadera". triboelectricitat. A més, l'eliminació mecànica d'elements de superfície individuals de piezoelèctrics o piroelèctrics pot provocar un efecte triboelèctric.
Aplicat als líquids, la manifestació de l'efecte triboelèctric està relacionada amb l'aparició de capes dobles elèctriques a la interfície entre dos medis líquids o a la interfície entre un líquid i un sòlid. Quan els líquids freguen contra metalls (durant el flux o les esquitxades d'impacte), La triboelectricitat es produeix a causa de la separació de càrregues a la interfície entre el metall i el líquid.
L'electrificació per fregament de dos dielèctrics líquids és causada per la presència de dobles capes elèctriques a la interfície entre líquids les constants dielèctriques dels quals són diferents. Com s'ha esmentat anteriorment (segons la regla de Cohen), un líquid amb una constant dielèctrica més baixa està carregat negativament, i un líquid amb una més alta està carregat positivament.
L'efecte triboelèctric en esquitxar líquids a causa de l'impacte a la superfície d'un dielèctric sòlid o a la superfície d'un líquid és causat per la destrucció de les capes dobles elèctriques al límit entre líquid i gas (l'electrificació en cascades es produeix precisament per aquest mecanisme) .
Tot i que la triboelectricitat condueix en algunes situacions a l'acumulació no desitjada de càrregues elèctriques en els dielèctrics, com en el teixit sintètic, l'efecte triboelèctric s'utilitza avui en dia en l'estudi de l'espectre energètic de trampes d'electrons en sòlids, així com en mineralogia per estudiar els centres luminescents. , minerals, determinant les condicions de formació de les roques i la seva edat.
Nanogeneradors triboelèctrics TENG
A primera vista, l'efecte triboelèctric sembla ser energèticament feble i ineficient a causa de la baixa i inestable densitat de càrrega elèctrica implicada en aquest procés. Tanmateix, un grup de científics de Georgia Tech han trobat una manera de millorar les característiques energètiques de l'efecte.
El mètode consisteix a excitar el sistema de nanogeneradors en la direcció de la potència de sortida més alta i estable, com es fa habitualment respecte als generadors d'inducció tradicionals amb excitació magnètica.
En conjunció amb esquemes de multiplicació de tensió resultants ben dissenyats, un sistema amb excitació externa d'autocàrrega és capaç de mostrar densitats de càrrega superiors a 1,25 mC per metre quadrat. Recordeu que la potència elèctrica resultant és proporcional al quadrat de la quantitat donada.
El desenvolupament dels científics obre una perspectiva real per a la creació en un futur proper de nanogeneradors triboelèctrics pràctics i d'alt rendiment (TENG, TENG) per carregar l'electrònica portàtil amb energia obtinguda principalment dels moviments mecànics quotidians del cos humà.
Els nanogeneradors prometen tenir un pes baix, un cost baix, i també us permetran escollir per a la seva creació aquells materials que generaran de manera més eficaç a freqüències baixes de l'ordre d'1-4 Hz.
Un circuit amb bombament de càrrega externa (similar a un generador d'inducció amb excitació externa) es considera més prometedor en aquests moments, quan part de l'energia generada s'utilitza per donar suport al procés de generació i augmentar la densitat de càrrega de treball.
Tal com van concebre els desenvolupadors, la separació dels condensadors del generador i del condensador extern permetrà una generació excitant a través dels elèctrodes externs sense afectar directament la capa triboelèctrica.
La càrrega excitada es subministra a l'elèctrode del nanogenerador TENG principal (TENG), mentre que el sistema d'excitació de càrrega i la càrrega de sortida principal TENG funcionen com a sistemes independents.
Amb un disseny racional del mòdul d'excitació de càrrega, la càrrega acumulada es pot reposar mitjançant la retroalimentació del mateix TENG durant el procés de descàrrega. D'aquesta manera s'aconsegueix l'autoexcitació del TENG.
En el transcurs de la investigació, els científics van estudiar l'efecte sobre l'eficiència de generació de diversos factors externs, com ara: el tipus i el gruix del dielèctric, el material dels elèctrodes, la freqüència, la humitat, etc. En aquesta etapa, la capa triboelèctrica TENG inclou una pel·lícula kapton dielèctrica de poliimida amb un gruix de 5 micres, i els elèctrodes estan fets de coure i alumini.
L'assoliment actual és que després de 50 segons de funcionament a una freqüència de només 1 Hz, la càrrega s'excita de manera bastant eficient, la qual cosa dóna esperança per a la creació en un futur proper de nanogeneradors estables per a aplicacions àmplies.
A l'estructura TENG amb excitació de càrrega externa, la separació de les capacitats del generador principal i del condensador de càrrega de sortida s'aconsegueix separant tres contactes i utilitzant pel·lícules aïllants amb diferents característiques dielèctriques per aconseguir un canvi relativament gran en les capacitats.
En primer lloc, la càrrega de la font de tensió es subministra al TENG principal, sobre la capacitat de la qual s'acumula la tensió mentre el dispositiu es troba en l'estat de contacte de capacitat màxima. Tan bon punt els dos elèctrodes se separen, la tensió augmenta a causa d'una disminució de la capacitat i la càrrega flueix des del condensador base al condensador d'emmagatzematge fins que s'aconsegueix un estat d'equilibri.
En el següent estat de contacte, la càrrega torna al TENG principal i contribueix a la generació d'energia, que serà més gran com més gran sigui la constant dielèctrica de la pel·lícula al condensador principal. L'assoliment del nivell de tensió de disseny es fa mitjançant un multiplicador de díodes.